超級(jí)電容器炭電極材料的制備和應(yīng)用研究.pdf

1、超級(jí)電容器(Supercapcitor)是一種介于普通電容器和二次電池之間的新型儲(chǔ)能器件，在國防和民用領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。電極是決定超級(jí)電容器性能的主要因素，因而高性能電極材料的研究一直是該領(lǐng)域的熱點(diǎn)(炭電極構(gòu)成的超級(jí)電容器也稱為雙電層電容器，Electric double layer capacitor,EDLC)。炭材料來源廣泛，價(jià)格低廉，性能穩(wěn)定，易產(chǎn)業(yè)化，因而同時(shí)受到了學(xué)術(shù)和工業(yè)界的極大關(guān)注。本課題的目的是制備低成本、高

2、性能的多孔炭電極材料，并應(yīng)用于超級(jí)電容器，研究炭材料性質(zhì)與超級(jí)電容器性能的相關(guān)性。用自動(dòng)氮吸附法研究了炭材料的比表面積、孔徑和孔徑分布，用循環(huán)伏安、恒電流充放電、交流阻抗等電化學(xué)方法研究了炭電極電容器的比容量、循環(huán)充放電、內(nèi)電阻、漏電流等性能。本論文主要做了以下幾方面的工作：以普通木炭為原材料，采用同步ZnCl2-CO2物理化學(xué)活化法制備活性炭。根據(jù)炭樣品在77K時(shí)的氮吸附-脫附等溫線，用BET方程、t-圖和BJH法分析計(jì)算

3、比表面積和孔徑、孔徑分布等，制備得到活性炭的比表面積為400～800 m2/g，平均孔徑為2nm左右，在中孔范圍3～5.3nm處有一明顯的孔分布。制備炭電極，以KOH溶液為電解液，并組裝構(gòu)成雙電極三明治型雙電層電容器，通過恒流充放電、循環(huán)伏安等電化學(xué)研究，發(fā)現(xiàn)木炭基活性炭樣的平均等效串聯(lián)內(nèi)阻約為0.3～0.5Ω，漏電流為300～600μA，電容器充放電效率高、穩(wěn)定性好、具有良好的充放電性能，炭材料適于做超級(jí)電容器電極材料。

4、為了探索制備活性炭的最佳條件，設(shè)計(jì)了L43正交實(shí)驗(yàn)，分析研究制備條件與炭樣電化學(xué)性能的相關(guān)性。結(jié)果表明最佳實(shí)驗(yàn)條件為：炭/ZnCl2質(zhì)量比為1∶1，在800℃下活化3個(gè)小時(shí)制備活性炭樣，壓制集流體時(shí)壓力為10MPa。此條件下制備的電容器在10mA放電時(shí)時(shí)炭材料的質(zhì)量比電容達(dá)183F/g，80mA達(dá)163F/g，漏電流為283μA，平均等效串聯(lián)內(nèi)阻為0.4Ω，充放電效率為98％。循環(huán)充放電壽命是電容器的一個(gè)重要性能指標(biāo)，對(duì)木炭基

5、活性炭為電極的電容器循環(huán)壽命測(cè)試結(jié)果表明，該炭材料在40mA恒電流下充放電10000次，其比電容保持率高達(dá)83％左右，性能良好。以椰殼為炭源，用同樣的方法制備得到活性炭孔徑呈多峰分布，質(zhì)量比電容隨著活化劑用量的增大而增大，當(dāng)C/ZnCl2質(zhì)量比為2∶5時(shí)，所得炭樣的電化學(xué)性能最好，在5mA充放電時(shí)其質(zhì)量比電容達(dá)260F/g，80mA充放電時(shí)其質(zhì)量比電容達(dá)153F/g。椰殼基活性炭材料的體積比電容、面積比電容大，更具有實(shí)際應(yīng)

6、用的價(jià)值，其中CZ25炭樣分別為172F/cm3、42.2μF/cm2。不足之處在于漏電流較大，等效串聯(lián)內(nèi)阻偏大，有待于進(jìn)一步研究與改進(jìn)。為了提高功率密度和能量密度，用分解電壓更高的有機(jī)電解液代替KOH溶液，試制、研究了有機(jī)電解液超級(jí)電容器。研究發(fā)現(xiàn)無紡布適于做有機(jī)電解液體系超級(jí)電容器的隔膜材料，增大電解液濃度有利于提高比電容。自制炭樣CZ134在1.0mol/L MeEt3NBF4/PC(四氟硼酸一甲基三乙基銨的碳酸丙烯酯溶

7、液)電解液中，8mA放電時(shí)質(zhì)量比電容達(dá)133.8F/g，等效串聯(lián)內(nèi)阻為6.4Ω，能量密度達(dá)25 W·h/kg以上，且隨放電電流變化較小，適于不同功率下放電，有較好的應(yīng)用前景。炭材料在MeEt3NBF4/PC有機(jī)電解液電容器中的比電容與比表面積、孔容之間有一定的相關(guān)性，研究發(fā)現(xiàn)質(zhì)量比電容隨著外比表面積的增大而規(guī)律地增大，隨著中孔孔容的增大而增大，但與總比表面積和總孔容沒有必然的相關(guān)性。這對(duì)超級(jí)電容器用活性炭材料的研究與開發(fā)具